KR102414410B1

KR102414410B1 - 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치, 탐지 방법 및 이를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체

Info

Publication number: KR102414410B1
Application number: KR1020210134599A
Authority: KR
Inventors: 남현우; 변형준
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2021-10-12
Filing date: 2021-10-12
Publication date: 2022-06-29
Anticipated expiration: 2041-10-12

Abstract

본 발명에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치는, 적어도 하나의 적외선 카메라 또는 적어도 하나의 적외선 분광 센서를 포함하고, 대상 영역의 배경 및 상기 배경에 존재하는 가스 오염운의 적외선 분광 신호를 획득하는 적외선 스펙트럼 획득부; 상기 획득된 적외선 분광 신호로부터 잡음제거 및 기울기 보정을 포함하는 신호 전처리 과정을 거친 후, 실측정된 적외선 스펙트럼 데이터를 대상으로 직교부분 공간투영 기법을 활용하여 탐지하고자 하는 독성 화학 가스의 신호세기 절대량을 연산하고 독성 화학 가스의 유무를 판단하는 가스 탐지부; 및 상기 적외선 스펙트럼 획득부로부터 측정된 배경 및 간섭물질 신호를 특이값 분해 기법을 활용하여, 탐지하고자 하는 독성 화학 가스와의 분광 특성 신호를 분류 및 추출하는 배경정보 적외선 스펙트럼 추출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치, 탐지 방법 및 이를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 {DETECTION APPARATUS AND METHOD OF CHEMICAL WARFARE AGENT USING ORTHOGONAL SUBSPACE PROJECTION AND COMPUTER-READABLE MEDIUM HAVING A PROGRAM RECORDED THEREIN FOR EXECUTING THE METHOD}

본 발명은 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치, 탐지 방법 및 이를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것으로, 구체적으로는 직교부분 공간투영 기법을 활용하여, FT-IR(Fourier-transform infrared) 기반 원거리 화학 가스 탐지 시스템에서 장파장(LWIR, Long wavelength infrared) 대역에 고유 분광 특성을 보이는 독성 화학 가스를 탐지하는 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치, 탐지 방법 및 이를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것이다.

신경 작용제 및 수포 작용제 등 테러의 목적으로 사용되는 독성 화학 가스(CWA, Chemical warfare agent) 및 화학공단에서의 산업 유독성 가스(TIC, Toxic industrial chemical)는 무색무취로, 누출사고의 경우 짧은 시간에 대량의 인명 피해를 초래할 수 있다.

이에 대한 피해를 최소화하기 위해 독성 화학 가스 조기 탐지 및 경보 시스템으로 FT-IR(Fourier-transform infrared spectroscopy) 기반의 적외선 분광 기술이 널리 사용되고 있다.

FT-IR 기반 원거리 탐지 기술은 다양한 자연 배경으로부터 수광된 적외선 스펙트럼(IR spectrum) 특성을 오염물질에 의해 오염된 대기층의 스펙트럼 특성과 대조 결과에 따라 상기 대기층의 오염 유무를 판별할 수 있는 기술이다.

종래의 FT-IR 기반 원거리 가스 탐지 시스템의 경우 측정한 스펙트럼과 표준 라이브러리와의 신호 유사성을 판단하여 화학가스 탐지 유무를 결정하였다.

이러한 종래의 기술은 탐지 장비(분광기)에 의한 신호 잡음과 다양한 배경(수증기, 적외선, 매연, 포연 등)에서 나오는 간섭 신호로부터 왜곡이 쉽게 일어날 수 있다.

또한, 이러한 왜곡으로 인해 탐지 감도와 신뢰성이 크게 저하되는 문제가 발생하게 된다.

따라서, 탐지 감도와 신뢰성을 향상시킬 수 있는 새로운 탐지 알고리즘 소프트웨어 기술 개발이 요구되고 있다.

KR

10-1594442

B1

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 여러 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 분광기와 같은 탐지 장비에 의한 신호 잡음과 다양한 배경에서 나오는 간섭 신호로부터 발생되는 왜곡 현상을 대폭 감소시켜 탐지 감도와 신뢰성을 향상시킬 수 있는 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치, 탐지 방법 및 이를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1관점에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치는, 적어도 하나의 적외선 카메라 또는 적어도 하나의 적외선 분광 센서를 포함하고, 대상 영역의 배경 및 상기 배경에 존재하는 가스 오염운의 적외선 분광 신호를 획득하는 적외선 스펙트럼 획득부; 상기 획득된 적외선 분광 신호로부터 잡음제거 및 기울기 보정을 포함하는 신호 전처리 과정을 거친 후, 실측정된 적외선 스펙트럼 데이터를 대상으로 직교부분 공간투영 기법을 활용하여 탐지하고자 하는 독성 화학 가스의 신호세기 절대량을 연산하고 독성 화학 가스의 유무를 판단하는 가스 탐지부; 및 상기 적외선 스펙트럼 획득부로부터 측정된 배경 및 간섭물질 신호를 특이값 분해 기법을 활용하여, 탐지하고자 하는 독성 화학 가스와의 분광 특성 신호를 분류 및 추출하는 배경정보 적외선 스펙트럼 추출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 탐지하고자 하는 적어도 하나의 유독물질 정보 및 환경설정 정보를 사용자로부터 입력 받는 입력부를 더 포함할 수 있다.

아울러, 제어부의 제어에 따라 상기 획득한 탐지 결과를 적외선 이미지와 결합하여 탐지 영역을 표출하는 출력부를 더 포함할 수 있다.

이러한 출력부는 상기 탐지 결과를 오염운 영상화 이미지로 출력하여 사용자가 가시적으로 식별할 수 있도록 이루어지고, 화상 정보의 표시가 가능한 디스플레이부를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.

이때, 상기 디스플레이부는 CRT(Cathode Ray Tube), PDP(Plasma Display Panel), LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic Light Emitting Diode)를 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나 이상으로 구현되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 적외선 스펙트럼 획득부는 장파장(LWIR,

) 영역에서의 적외선 스펙트럼 신호를 실시간으로 획득하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 배경정보 적외선 스펙트럼 추출부로부터 추출된 탐지하고자 하는 독성 화학 가스의 분광 특성 신호를 저장하는 메모리를 더 포함할 수 있다.

이와 같은 메모리는 상기 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치의 동작을 위한 다양한 데이터 및 프로그램이 저장될 수 있다.

또한, 상기 메모리는 탐지를 위한 기 생성된 독성화학가스별 탐지 라이브러리, 배경 및 간섭물질 및 다양한 환경설정 정보가 저장될 수 있다.

다른 실시예로서, 본 발명에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치는, 적어도 하나의 적외선 카메라 또는 적어도 하나의 적외선 분광 센서를 포함하고, 장파장(LWIR,

) 영역의 배경 및 상기 배경에 존재하는 가스 오염운의 적외선 분광 신호를 획득하는 적외선 스펙트럼 획득부; 상기 획득된 적외선 분광 신호로부터 잡음제거 및 기울기 보정을 포함하는 신호 전처리 과정을 거친 후, 실측정된 적외선 스펙트럼 데이터를 대상으로 직교부분 공간투영 기법을 활용하여 탐지하고자 하는 독성 화학 가스의 신호세기 절대량을 연산하고 독성 화학 가스의 유무를 판단하는 가스 탐지부; 상기 적외선 스펙트럼 획득부로부터 측정된 배경 및 간섭물질 신호를 특이값 분해 기법을 활용하여, 탐지하고자 하는 독성 화학 가스와의 분광 특성 신호를 분류 및 추출하는 배경정보 적외선 스펙트럼 추출부; 탐지하고자 하는 적어도 하나의 유독물질 정보 및 환경설정 정보를 사용자로부터 입력 받는 입력부; 및 제어부의 제어에 따라 상기 획득한 탐지 결과를 적외선 이미지와 결합하여 탐지 영역을 표출하는 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 출력부는 상기 탐지 결과를 오염운 영상화 이미지로 출력하여 사용자가 가시적으로 식별할 수 있도록 이루어지고, 화상 정보의 표시가 가능한 디스플레이부를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.

또한, 상기 배경정보 적외선 스펙트럼 추출부로부터 추출된 탐지하고자 하는 독성 화학 가스의 분광 특성 신호를 저장하는 메모리를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 제2관점에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 방법은, 적어도 하나의 적외선 카메라 또는 적어도 하나의 적외선 분광 센서를 이용하여 대상 영역의 배경 및 상기 배경에 존재하는 가스 오염운으로부터 적외선 스펙트럼을 획득하는 제1단계; 상기 제1단계에서 적외선 스펙트럼을 획득 후, 잡음 제거 및 기준선 보정을 포함하는 신호 전처리를 하는 제2단계; 직교부분 공간투영 기법에 필요한 기구축된 배경 정보 및 간섭 정보를 메모리에서 불러오는 제3단계; 및 상기 제2단계에서 신호 전처리가 이루어진 적외선 분광 데이터를 대상으로 직교부분 공간투영 기법을 적용하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 제4단계에서 얻어진 탐지 결과값과 미리 정해둔 임계치 값을 비교하는 제5단계와, 상기 탐지 결과값이 임계치 값 보다 클 경우 경보음을 발생하는 제6단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 6단계에서 경보음을 발생한 다음 탐지 결과값을 스크린에 표출하는 제7단계를 더 포함할 수도 있다.

다른 실시예로서, 본 발명에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 방법은, 적어도 하나의 적외선 카메라 또는 적어도 하나의 적외선 분광 센서를 이용하여 대상 영역의 배경 및 상기 배경에 존재하는 가스 오염운으로부터 적외선 스펙트럼을 획득하는 제1단계; 상기 제1단계에서 적외선 스펙트럼을 획득 후, 잡음 제거 및 기준선 보정을 포함하는 신호 전처리를 하는 제2단계; 직교부분 공간투영 기법에 필요한 기구축된 배경 정보 및 간섭 정보를 메모리에서 불러오는 제3단계; 및 상기 제2단계에서 신호 전처리가 이루어진 적외선 분광 데이터를 대상으로 직교부분 공간투영 기법을 적용하는 제4단계;를 포함하고, 상기 제3단계는 배경 정부 및 간섭 정보를 배경분류 알고리즘을 수행하여 별도 그룹군으로 분류하는 제3-1단계와, 상기 분류된 배경 정보를 추출하여 행렬을 구성하는 제3-2단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제2단계에서 단일 배경제거 기법인 Gaussian 및 Savitzky-Golay 필터, 또는 Broad Gaussian Band 기법이 사용될 수 있다.

본 발명의 제3관점에 따르면 전술한 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체가 개시된다.

기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.

전술한 과제의 해결수단에 의하면 본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.

본 발명은 기 알려진 적외선 스펙트럼 정보를 통계적으로 분석하여 실시간으로 독성 화학 가스 유·무를 판별하는 기법으로서, 기 측정한 다양한 적외선 배경 정보를 탐지 간섭 배제를 위해 활용 가능한 효과가 있다.

이는 직교부분 공간투영 수학적 모델링을 통하여 분석하는 과정 중에서 탐지하고자 하는 독성 가스 화학정보 측정 데이터 외 배경 정보들의 간섭 영향을 최소화함으로써, 탐지율이 증가되는 효과가 있으며, 인공지능 등 패턴분석 기법과 달리 별도의 학습 과정이 필요하지 않다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 방법에서 직교부분 공간투영 기법에 필요한 배경 정보 및 간섭 정보를 추출하기 위한 과정을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치의 출력부에서 출력된 탐지 결과를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.

더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.

본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.

이하의 설명에서는 독성 화학 가스의 특징이 나타나는 주요 영역인 장파장(LWIR,

) 적외선 구간을 관심 영역으로 설정하고, 상기 관심 영역에서의 적외선 스펙트럼을 측정 및 분석하여, 기체상의 독성 화학 가스를 실시간으로 탐지하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치는 제어부(70)와, 제어부(70)에 연결되는 적외선 스펙트럼 획득부(10), 가스 탐지부(20), 배경정보 적외선 스펙트럼 추출부(30), 메모리(40), 입력부(50) 및 출력부(60)를 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 적외선 스펙트럼 획득부(10)는 장파장(LWIR,

) 영역에서의 적외선 스펙트럼 신호를 실시간으로 획득할 수 있다.

이를 위해, 장파장(LWIR,

) 영역에서 복사 휘도 스펙트럼 특성 신호를 획득하기 위해 적어도 하나의 적외선 카메라를 포함하거나, 제어부(70)에 의해 제어될 수 있는 별도의 분광 장비에 연결될 수 있다.

그리고, 가스 탐지부(20)는 적외선 스펙트럼 획득부(10)에서 획득된 적외선 스펙트럼을 대상으로 가스 탐지를 위해 직교부분 공간투영 기법을 활용하여 데이터를 분석하고, 탐지하고자 하는 독성 화학 가스의 신호세기 절대량을 연산하여 탐지 유·무를 판단하는 기능을 포함한다.

아울러, 배경정보 적외선 스펙트럼 추출부(30)는 가스 탐지부(20) 에서 직교부분 공간투영 기법에 필요한 배경 및 간섭물질 정보를 측정한 적외선 스펙트럼 데이터로부터 분석하고 추출하는 기능을 포함한다.

한편, 메모리(40)는 본 발명의 실시예에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치의 동작을 위한 다양한 데이터 및 프로그램이 저장될 수 있다.

또한, 메모리(40)는 탐지를 위한 기 생성된 독성 화학 가스별 탐지 라이브러리, 배경 및 간섭물질 및 다양한 환경설정 정보 등을 저장할 수 있다.

그리고, 입력부(50)는 사용자로부터 탐지하고자 하는 독성 화학 가스 정보를 입력 받기 위한 것으로서, 기계식 입력 수단 및 터치식 입력 수단을 포함할 수 있다.

한편, 탐지하고자 하는 유독 가스의 정보, 즉 유독 가스의 종류, 농도 등은 메모리(40)에 저장된 정보일 수 있다.

이 경우 입력부(50)를 통한 사용자의 입력에 따라 적어도 하나의 유독 가스가 선택되거나 선택된 유독 가스에 관련된 다양한 정보가 선택될 수 있다.

또한, 출력부(60)는 제어부(70)의 제어에 따라 본 발명의 실시예에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치의 다양한 데이터들을 출력할 수 있다.

일 예로 출력부(60)는 탐지 결과를 오염운 영상화 이미지로 출력하여 사용자가 가시적으로 식별할 수 있다.

이를 위해 출력부(60)는 화상 정보의 표시가 가능한 디스플레이부를 적어도 하나 포함할 수 있다.

여기서, 디스플레이부는 CRT(Cathode Ray Tube), PDP(Plasma Display Panel), LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic Light Emitting Diode) 등으로 구현될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

한편, 제어부(70)는 본 발명의 실시예에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 실시간 독성 화학 가스 탐지 장치의 전반적인 동작을 제어한다.

예를 들어, 제어부(70)는 연결된 각 구성요소의 동작 및 동작 순서를 제어할 수 있으며, 입력부(50)를 통해 입력되는 정보에 근거하여 상기 연결된 각 구성요소가 제어되도록 할 수 있다.

또한, 제어부(70)는 입력부(50)를 통해 탐지를 위해 유독 가스 목록에서 적어도 하나를 사용자로부터 선택 받을 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 방법을 나타낸 순서도이다.

적외선 스펙트럼을 획득(S1) 후, 우선 잡음제거 및 기준선 보정 등 신호 전처리 기능을 수행(S2)한다.

이는 탐지 장치의 기계적 잡음 및 내부 열 잡음으로 인한 측정된 데이터의 신호 왜곡을 최소화시키기 위한 소프트웨어 기능으로 가우시안 필터 및 평균화 필터 등 일반적인 잡음제거 신호처리 기법이 적용 가능하다.

또한, 장파장 영역대의 경우 빛의 산란 현상으로 인하여 측정된 스펙트럼의 기울어짐 현상이 발생되는데, 이를 최소화하기 위해 기저선 제거 기법 등 신호 보정 기법이 사용 가능하다.

다음으로, 직교부분 공간투영 기법에 필요한 기 구축한 배경 및 간섭정보 데이터를 메모리에서 불러온 후(S3), 신호 전처리 기법이 적용된 적외선 분광 데이터를 대상으로 직교부분 공간투영 기법을 적용한다(S4).

여기서, 직교부분 공간투영 기법이라 함은 측정된 데이터들을 배경 정보와 탐지하고자 하는 독성 화학 가스로 구성된 공간(Subspace)에 측정된 스펙트럼을 투영(Projection)시켜 신호세기(SNR, Siginal-to-Noise Ratio)를 분석하고 임계치값과 비교하여 실시간으로 탐지하는 기법이다.

우선 적외선 분광 장치를 활용하여 측정된 적외선 스펙트럼 데이터를

라고 정의하자.

이때, 측정 스펙트럼은 다음의 선형 부분공간 모델로 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

여기서,

는 탐지하고자 하는 독성 화학 가스의 고유 특성(예를 들어, Absorption coefficient 등)을 나타내는 스펙트럼이다.

해당 정보는 기 구축된 탐지 라이브러리 정보로, 사용자로부터 직접 입력 받아 메모리(40)에 저장되어 있다.

는 배경 및 간섭물질 스펙트럼으로 구성 된 행렬이다.

는 각 신호의 계수(Coefficient)를 나타내고,

은 잡음신호이다.

여기서 배경으로 이루어진

공간에서의 투영행렬은 다음과 같이 나타낸다.

[수학식 2]

는

의 의사역행렬(Pseudo-inverse matrix)이다.

상기 투영행렬을 이용하여 측정된 스펙트럼

에 배경 및 간섭물질 정보를 제외할 수가 있다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

[수학식 3]

에 대한 분류 연산자(Classification operator)

인수를 활용하여 다음과 같이 검정통계함수 구성한다.

[수학식 4]

여기서

의 신호대잡음비(SNR,Signal-to-Noise Ratio)

를 최대값으로 만드는

을 찾는다.

일반적인 SNR 계산공식을

에 대입하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 5]

여기서, 잡음벡터의

의 평균이 0이고 분산이

라 하면,

이 성립된다.

여기서

치환하면 다음과 같다.

[수학식 6]

즉, 분자

가 최대값이 되는 경우가 바로 SNR이 최대값이 되는 경우이다.

이는

와

의 벡터 방향이 같을 때 최대 값이 되므로, 이를 만족하는

은 다음과 같다(

는 임의의 상수).

[수학식 7]

상기 식을 대입하면 직교부분 공간투영 기법을 활용한 탐지 스코어 산출 공식은 아래와 같다.

[수학식 8]

상기와 같이 탐지 스코어를 획득 후 가스 판별함수는 다음과 같다.

[수학식 9]

여기서

는 임계치 값(threshold)이며, 탐지하고자 하는 독성 화학 가스마다 다른 값을 가질 수 있다.

상기 식을 활용하여 탐지 스코어(결과값)과 미리 정해둔 임계치를 비교하여 탐지 스코어가 미리 정해둔 임계치(

) 값보다 높을 경우(S5) 경보를 발생(S6)하고 탐지정보를 스크린에 표출(S7)한다.

도 3은 본 발명에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 방법에서 직교부분 공간투영 기법에 필요한 배경 정보 및 간섭 정보(

)를 추출하기 위한 과정을 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치의 출력부에서 출력된 탐지 결과를 나타낸 도면이다.

일 예로, 적외선 분광 장치를 활용하여 실시간으로 적외선 분광 데이터를 획득하게 된다.

이에 배경정보 적외선 스펙트럼 추출부(30)는 상기 획득한 적외선 분광 스펙트럼 데이터를 그룹으로 추출하고, 특이값 분해(SVD, Singular Value Decomposition) 방식을 사용하거나 또는 배경분류 알고리즘을 수행하여(S31) 배경 정보를 별도 그룹 군으로 분류시킨 후 추출하여 실시간으로(혹은 일정 주기 별로) 배경 정보 행렬을 구성한다.(S32)

상기 배경 및 간섭물질 정보 구성을 위해 다음과 같은 일련의 신호처리 과정을 수행한다.(S2)

우선 적외선 스펙트럼 획득부(10)로부터 획득한 스펙트럼 데이터를 대상으로 잡음 제거를 위한 신호 전처리 과정(S2)을 수행한다.

이 과정에서 단일 배경제거 기법인 Gaussian 및 Savitzky-Golay 필터 등 다양한 신호처리 잡음제거 방식을 활용할 수 있으며, Broad Gaussian Band 등 일반적인 기저선 제거 기법도 사용가능하다.

다음으로, 상기 획득된 적외선 분광 스펙트럼(x)를 행렬로 구성 후 특이값 분해를 수행할 경우 다음 수식과 같이 표현가능하다.

[수학식 11]

상기 수식에서 u(u1, u2, ···)는 특이 값(σ1, σ2, ···)에 대응하는 주성분 벡터로 특이 값이 가장 큰 u1, u2를 제외한 나머지는 고유 배경 정보가 아닌 일상 잡음과 같은 랜덤한 형태를 가진다.

또한, 독성 화학 가스가 존재할 경우 상기 특이 값이 가장 큰 주성분 벡터(u1, u2)는 탐지하고자 하는 독성 화학 가스 고유 분광 특성 신호와 상당한 유사함을 보인다.

즉, 상기 획득한 특이 값이 가장 큰 주성분 벡터(u1, u2)를 대상으로 독성 화학 가스 적외선 고유특성 분광 신호와의 비교 결과 유사성이 떨어질 경우 해당 배경 적외선 분광 특성을 대표하는 신호라 정의될 수 있다.

정리하면, 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치에서 구성하고자 하는 배경 정보 행렬(

)은 다양한 배경에서 측정된 적외선 분광 스펙트럼에서 특이 값이 가장 큰 벡터로 구성된 행렬이며, 이는 사용자의 요구사항에 따라 실시간 혹은 주기적으로 업데이트 된다.

한편, 제어부(70)는, 상기 탐지 과정에서 사용되는 탐지 라이브러리 정보 및 환경설정 정보를 특정할 수 있다.

예를 들어, 제어부(70)는 메모리(40)에 라이브러리의 형태로 저장된 다수의 독성 화학 가스 정보 중 적어도 하나를 사용자로부터 입력부(50)를 통해 선택 받을 수 있다.

한편, 제어부(70)는 출력부(60)를 제어하여, 탐지 결과를 종합하여 측정된 적외선 영상화 이미지 결합하여 출력할 수 있다(도4 참조).

이 경우 탐지 결과 이미지는, 배경 이미지에서 유독 가스에 의해 오염된 영역은, 오염되지 않은 영역과 다르게 표시될 수 있으며, 동일한 유독 가스에 오염된 영역일지라도 계산된 결과값(연산된 계수값의 크기)에 따라 서로 다르게 표시될 수 있다.

본 발명은 하나의 유독 가스(물질)가 아니라 다수의 유독 가스, 예를 들어 다중 화학 가스를 포함하는 오염운에 대한 탐지 결과를 생성할 수도 있음은 물론이다.

전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.

또한, 상기 컴퓨터는 상기 제어부(70)를 포함할 수도 있다.

이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.

또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.

10 : 적외선 스펙트럼 획득부
20 : 가스 탐지부
30 : 배경정보 적외선 스펙트럼 추출부
40 : 메모리
50 : 입력부
60 : 출력부
70 : 제어부

Claims

적어도 하나의 적외선 카메라 또는 적어도 하나의 적외선 분광 센서를 포함하고, 대상 영역의 배경 및 상기 배경에 존재하는 가스 오염운의 적외선 분광 신호를 획득하는 적외선 스펙트럼 획득부;
상기 획득된 적외선 분광 신호로부터 잡음제거 및 기울기 보정을 포함하는 신호 전처리 과정을 거친 후, 실측정된 적외선 스펙트럼 데이터를 대상으로 직교부분 공간투영 기법을 활용하여 탐지하고자 하는 독성 화학 가스의 신호세기 절대량을 연산하고 독성 화학 가스의 유무를 판단하는 가스 탐지부; 및
상기 적외선 스펙트럼 획득부로부터 측정된 배경 및 간섭물질 신호를 특이값 분해 기법을 활용하여, 탐지하고자 하는 독성 화학 가스와의 분광 특성 신호를 분류 및 추출하는 배경정보 적외선 스펙트럼 추출부;를 포함하고,
상기 배경정보 적외선 스펙트럼 추출부는,
상기 적외선 스펙트럼 획득부에서 측정된 적외선 스펙트럼 데이터를 이용하여 탐지하고자 하는 독성 화학 가스의 고유 특성을 나타내는 스펙트럼으로 구성된 행렬과 배경 및 간섭물질 스펙트럼으로 구성된 행렬을 포함하여 선형 부분공간 모델을 구하고 상기 배경으로 이루어진 공간에서의 투영행렬을 구하며 상기 투영행렬을 이용하여 측정된 스펙트럼에 배경 및 간섭물질 정보를 제외한 다음 직교부분 공간투영 기법을 활용한 탐지 스코어를 산출하여 상기 탐지 스코어를 획득 후 임계치 값(threshold)을 포함하는 가스 판별함수를 구하는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치.
청구항 1에 있어서,
탐지하고자 하는 적어도 하나의 유독물질 정보 및 환경설정 정보를 사용자로부터 입력 받는 입력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치.
청구항 1에 있어서,
제어부의 제어에 따라 상기 획득한 탐지 결과를 적외선 이미지와 결합하여 탐지 영역을 표출하는 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 출력부는 상기 탐지 결과를 오염운 영상화 이미지로 출력하여 사용자가 가시적으로 식별할 수 있도록 이루어지고,
화상 정보의 표시가 가능한 디스플레이부를 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 디스플레이부는 CRT(Cathode Ray Tube), PDP(Plasma Display Panel), LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic Light Emitting Diode)를 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나 이상으로 구현되는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 적외선 스펙트럼 획득부는 장파장(LWIR,
) 영역에서의 적외선 스펙트럼 신호를 실시간으로 획득하는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 배경정보 적외선 스펙트럼 추출부로부터 추출된 탐지하고자 하는 독성 화학 가스의 분광 특성 신호를 저장하는 메모리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 메모리는 상기 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치의 동작을 위한 다양한 데이터 및 프로그램이 저장되는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 메모리는 탐지를 위한 기 생성된 독성화학가스별 탐지 라이브러리, 배경 및 간섭물질 및 다양한 환경설정 정보가 저장되는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치.
적어도 하나의 적외선 카메라 또는 적어도 하나의 적외선 분광 센서를 포함하고, 장파장(LWIR,
) 영역의 배경 및 상기 배경에 존재하는 가스 오염운의 적외선 분광 신호를 획득하는 적외선 스펙트럼 획득부;
상기 획득된 적외선 분광 신호로부터 잡음제거 및 기울기 보정을 포함하는 신호 전처리 과정을 거친 후, 실측정된 적외선 스펙트럼 데이터를 대상으로 직교부분 공간투영 기법을 활용하여 탐지하고자 하는 독성 화학 가스의 신호세기 절대량을 연산하고 독성 화학 가스의 유무를 판단하는 가스 탐지부;
상기 적외선 스펙트럼 획득부로부터 측정된 배경 및 간섭물질 신호를 특이값 분해 기법을 활용하여, 탐지하고자 하는 독성 화학 가스와의 분광 특성 신호를 분류 및 추출하는 배경정보 적외선 스펙트럼 추출부;
탐지하고자 하는 적어도 하나의 유독물질 정보 및 환경설정 정보를 사용자로부터 입력 받는 입력부; 및
제어부의 제어에 따라 상기 획득한 탐지 결과를 적외선 이미지와 결합하여 탐지 영역을 표출하는 출력부;를 포함하고,
상기 배경정보 적외선 스펙트럼 추출부는,
상기 적외선 스펙트럼 획득부에서 측정된 적외선 스펙트럼 데이터를 이용하여 탐지하고자 하는 독성 화학 가스의 고유 특성을 나타내는 스펙트럼으로 구성된 행렬과 배경 및 간섭물질 스펙트럼으로 구성된 행렬을 포함하여 선형 부분공간 모델을 구하고 상기 배경으로 이루어진 공간에서의 투영행렬을 구하며 상기 투영행렬을 이용하여 측정된 스펙트럼에 배경 및 간섭물질 정보를 제외한 다음 직교부분 공간투영 기법을 활용한 탐지 스코어를 산출하여 상기 탐지 스코어를 획득 후 임계치 값(threshold)을 포함하는 가스 판별함수를 구하는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 출력부는 상기 탐지 결과를 오염운 영상화 이미지로 출력하여 사용자가 가시적으로 식별할 수 있도록 이루어지고,
화상 정보의 표시가 가능한 디스플레이부를 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 배경정보 적외선 스펙트럼 추출부로부터 추출된 탐지하고자 하는 독성 화학 가스의 분광 특성 신호를 저장하는 메모리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 장치.
적어도 하나의 적외선 카메라 또는 적어도 하나의 적외선 분광 센서를 이용하여 대상 영역의 배경 및 상기 배경에 존재하는 가스 오염운으로부터 적외선 스펙트럼을 획득하는 제1단계;
상기 제1단계에서 적외선 스펙트럼을 획득 후, 잡음 제거 및 기준선 보정을 포함하는 신호 전처리를 하는 제2단계;
직교부분 공간투영 기법에 필요한 기구축된 배경 정보 및 간섭 정보를 메모리에서 불러오는 제3단계;
상기 제2단계에서 신호 전처리가 이루어진 적외선 분광 데이터를 대상으로 직교부분 공간투영 기법을 적용하는 제4단계; 및
상기 제1단계에서 측정된 적외선 스펙트럼 데이터를 이용하여 탐지하고자 하는 독성 화학 가스의 고유 특성을 나타내는 스펙트럼으로 구성된 행렬과 배경 및 간섭물질 스펙트럼으로 구성된 행렬을 포함하여 선형 부분공간 모델을 구하고, 상기 배경으로 이루어진 공간에서의 투영행렬을 구하며, 상기 투영행렬을 이용하여 측정된 스펙트럼에 배경 및 간섭물질 정보를 제외한 다음 직교부분 공간투영 기법을 활용한 탐지 스코어를 산출하여 상기 탐지 스코어를 획득 후 임계치 값(threshold)을 포함하는 가스 판별함수를 구하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 5단계는 상기 제4단계에서 얻어진 탐지 결과값과 미리 정해둔 임계치 값을 비교하는 것을 포함하고,
상기 탐지 결과값이 임계치 값 보다 클 경우 경보음을 발생하는 제6단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 6단계에서 경보음을 발생한 다음 탐지 결과값을 스크린에 표출하는 제7단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 방법.
적어도 하나의 적외선 카메라 또는 적어도 하나의 적외선 분광 센서를 이용하여 대상 영역의 배경 및 상기 배경에 존재하는 가스 오염운으로부터 적외선 스펙트럼을 획득하는 제1단계;
상기 제1단계에서 적외선 스펙트럼을 획득 후, 잡음 제거 및 기준선 보정을 포함하는 신호 전처리를 하는 제2단계;
직교부분 공간투영 기법에 필요한 기구축된 배경 정보 및 간섭 정보를 메모리에서 불러오는 제3단계;
상기 제2단계에서 신호 전처리가 이루어진 적외선 분광 데이터를 대상으로 직교부분 공간투영 기법을 적용하는 제4단계; 및
상기 제1단계에서 측정된 적외선 스펙트럼 데이터를 이용하여 탐지하고자 하는 독성 화학 가스의 고유 특성을 나타내는 스펙트럼으로 구성된 행렬과 배경 및 간섭물질 스펙트럼으로 구성된 행렬을 포함하여 선형 부분공간 모델을 구하고, 상기 배경으로 이루어진 공간에서의 투영행렬을 구하며, 상기 투영행렬을 이용하여 측정된 스펙트럼에 배경 및 간섭물질 정보를 제외한 다음 직교부분 공간투영 기법을 활용한 탐지 스코어를 산출하여 상기 탐지 스코어를 획득 후 임계치 값(threshold)을 포함하는 가스 판별함수를 구하는 제5단계;를 포함하고,
상기 제3단계는 배경 정부 및 간섭 정보를 배경분류 알고리즘을 수행하여 별도 그룹군으로 분류하는 제3-1단계와, 상기 분류된 배경 정보를 추출하여 행렬을 구성하는 제3-2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 방법.
청구항 16에 있어서,
상기 제2단계에서 단일 배경제거 기법인 Gaussian 및 Savitzky-Golay 필터, 또는 Broad Gaussian Band 기법이 사용되는 것을 특징으로 하는,
직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 방법.
청구항 13 내지 청구항 17 중 어느 하나의 청구항에 따른 직교부분 공간투영 기법을 활용한 독성 화학 가스 탐지 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.